Котли на твърдо гориво

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2012

Котлите на твърдо гориво са сред най-широко използваните съоръжения за подготовка на топла вода за отоплителни инсталации. Те са особено подходящо решение за организиране на автономна система за отопление в райони, в които е трудно осигуряването на друг вид гориво. Обикновено котлите, работещи с течно или газообразно гориво, са предпочитано решение поради по-лесното обслужване и по-високия коефициент на полезно действие. Много от съвременните конструкции котли на твърдо гориво обаче също се характеризират с висок коефициент на полезно действие и значително улеснено обслужване. Все по-широко застъпени в практиката са котлите, предназначени за изгаряне на биомаса под различна форма, както и пиролизните котли.

Конструктивни особености
Стандартно, материалите, използвани за котлите за изгаряне на твърди горива, са стомана и чугун. Стоманените котли обикновено се произвеждат от котлена стомана чрез заваряване. Горивната камера се образува от двуслойни стени, познати и като водна риза, тъй като във вътрешността им циркулира вода. Често тези котли биват двуходови, като димните газове преди да напуснат котела обтичат сноп от гладки или оребрени тръби, през които тече вода. Мощността им обикновено не превишава 15 MW.
Сред основните им предимства са: голямо специфично натоварване на единица площ, висока горна граница на мощността и други. Сред основните им недостатъци е опасността от корозия.

Характерна особеност на чугунените котли е пакетът от глидери, които формират горивната камера, скарата, ходовете на димните газове, водното пространство. Съответно, мощността на котела се определя от броя на глидерите в един пакет. Обикновено чугунените котли са с мощност до около 600 kW. Тези котли са подходящи за изгаряне на различен вид въглища, брикети и други. Като основни предимства на чугунените котли се посочват високата експлоатационна надеждност, голямата корозионна устойчивост, възможността за увеличаване мощността на котела чрез допълнително добавяне на глидери. Сред посочваните недостатъци са трудностите при необходимост от ремонт на глидерите.

Котли за изгаряне на биомаса
В последните години котлите за изгаряне на биомаса добиват все по-голяма популярност. Сред причините са както актуалността на биомасата, в ролята й на възобновяем енергиен източник, така и значителното повишаване на ефективността на тези котли. Сред основните им предимства е й високият коефициент на полезно действие.
 
Принципно, технологията за изгаряне на биомаса е подобна на тази пpи изгаряне на въглища. На практика въглищата и биомсата се подават и изгарят по подобен начин, поради което те биха могли да се използват едновременно, като се смесват в определени пропорции.

Основно котлите на биомаса могат да се разделят на три групи: котли, предназначени за изгаряне на пресована биомаса - брикети и пелети; котли, в които може да се изгаря биогориво с влажност до 30% и котли за влажни биогорива, т. е. горива с влажност до 55%. Отделно, в зависимост от вида на използваната биомаса, котлите могат да бъдат котли, специално предназначени за изгаряне на пресовано биогориво, за изгаряне на дървесни трески и стърготини, костилки, за изгаряне на торф и смес от торф и други. Добре е да се има предвид, че обикновено котел, предназначен за изгаряне на определен вид биомаса, не би работил ефективно с друг вид биомаса поради специфичните характеристики на отделните биогорива. Пълната ефективност на котела би се постигнала само тогава, когато той работи с вида гориво, за което е предназначен. Например, котлите за изгаряне на биомаса с влажност не повече от 30%, не биха били ефективни при изгарянето на биомаса със съдържание на вода около 50%, нито за рафинирано биогориво. Причината е, че за изгарянето на суровините с по-висока влажност е необходимо достигането на по-висока температура във вътрешността на котела, а когато котелът е предназначен за суровина с по-малка влажност, достигането на необходимата температура съществено би намалила неговата ефективност като цяло.

Сред най-често използваните котли, предназначени за изгаряне на биомаса, са котлите за изгаряне на пелети. Сред причините за това са високият коефициент на полезно действие на пелетните котли, движещ се в границите 84 - 93% (някои производители посочват и значително по-висок КПД достигащ 97%), автоматизираното подаване на гориво, доброто поддържане на необходимата температура на въздуха в отопляваните помещения, възможността за програмиране на работата на инсталацията за седмици напред, широкият диапазон от мощности, достигащи до 20 МW, малкото количество отделяна пепел и минималното количество сажди в изходящите газове и други.

Пиролизни котли
Пиролизните котли се характеризират с екологичност, икономичност и висок КПД. Получаването на повече топлинна енергия от тези котли, в сравнение с другите котли на дърва, се дължи на осъществяващия се в тях термичен процес - суха дестилация на дървесината или познат още като пиролиза.

Известно е, че пиролизата е процес на термично разлагане на комплексни въглеводородни съединения до по-прости такива чрез нагряване до висока температура, при отсъствие на кислород и налягане по-ниско от атмосферното. Конструктивно пиролизните котли са разработени така, че да се осигури протичането именно на този процес. Камерата, в която се намира дървесината е добре херметизирана, за да са ограничи проникването на кислород в нея. Дървесината в нея се загрява до висока температура, обикновено в диапазона от 200 до 800 °С. В така създадените условия дървата в котела не горят, а тлеят при което се осъществява тяхното термично разлагане. Крайният продукт от този процес е смес от твърди (въглен), течни (оксидирани масла) и газови (окиси на въглерода и водорода, въглероден диоксид, азот) съставки. Комбинацията от така получените газове се нарича пиролизен газ, които изгаряйки в горивната камера, отделя необходимото количество топлина. При влажност на дървесината от 15% например, пиролизният газ съдържа около 44% въглерод, 35% кислород, 15% вода, 5% водород и около 1% азот и минерали.

За нормалното протичане на процеса обаче е добре да се има предвид, че за да се осигури дълъг експлоатационен живот на котела и работа на максимална мощност е необходимо използването на дървесина с ниска влажност. Препоръчва се влажността да е до 20% и да не превишава 30 - 35%. Използването на дърва с висока влажност може да доведе до падане на мощността на котела до 50%, а разходът на гориво да се увеличи почти двойно.

Основните елементи на всеки пиролизен котел са: херметически затворена камера (камерата за зареждане), в която се извършва термичното разлагане на дървесината; дюза от огнеупорен бетон, в която пиролизният газ се смесва с вторичния въздух, образувайки гореща смес, която може да се самовъзпламени при температура около 560 оС; камера за изгаряне, в която температурата на изгаряне на пиролизния газ достига до 1200 оС; топлообменник за загряване на вода и вентилатор за подаване на необходимото количество въздух за протичане на горивния процес и за неговото регулиране. Независимо от разнообразието на конструктивни решения, предлагани от производители на пиролизни котли, конструкцията на всеки пиролизен котел трябва да осигури последователното протичане на три процеса - изсушаване, карбонизация и окисление.

По време на изсушаването от поставената в херметически затворената камера дървесина се отнема излишната влажност, след което в условията на висока температура и ниско съдържание на кислород тя започва да тлее. Втората фаза - карбонизацията, е процесът, при който дървесината се разгражда до получаването на пиролизен газ. Над слоя тлееща дървесина се образува високотемпературен слой, който осигурява предварителното изсушаване на дървесината и в същото време подгрява постъпващия в зоната на горене въздух. Всички освободени по време на пиролизата газови компоненти се насочват към разположената под камерата за зареждане дюза от стоманобетон. За да се осигури пълно изгаряне на продуктите от пиролизата, е необходимо да се подава точно определеното количество вторичен въздух. При третия етап - окислението, пиролизният газ изгаря в долната камера при температура до 1200 оС. По време на този финален етап пиролизният газ, при взаимодействието си с богатия на кислород въздух, гори, при което се отделя топлинна енергия. В процеса на горене пиролизният газ си взаимодейства и с активния въглерод, в резултат на което на изхода на котела изхвърляните димни газове не съдържат вредни примеси. Допълнително, отделената при изсушаването вода встъпва в реакция с дървените въглища от процеса на карбонизация и ги преработва в процеса на окисление. По този начин, за разлика от системите, базирани на класическо изгаряне на дървесина, тук съществуват условия да се осигури пълен кръговрат на въглеродния диоксид и водата. Според специалистите емисиите от СО2 от тези котли са почти три пъти по-ниски в сравнение с обичайните от котлите на твърдо гориво. В процеса на пиролизно горене се образуват минимално количество сажди и пепел, поради което тези котли се нуждаят от по-рядко почистване.

Препоръчително е пиролизните котли да работят на максимална мощност, тъй като ако отделилите се в процеса на разлагане на дървесината водни пари и газове не изгорят, те образуват конденз, който се превръща в катран и кислород, отлагащ се от вътрешната страна на котела. Това може да доведе до постепенно кородиране на стоманените повърхности на котела.

На българския пазар се предлагат пиролизни котли с мощности от 10 kW до 1 MW. Коефициентът им на полезно действие варира между 85 и 95%. Недостатък е необходимостта от ръчно зареждане на 8 или 10 часа.

Масовото използване на отоплителни котли в практиката, което често е съпроводено с обслужването им от неквалифициран персонал, налага строги изисквания към използваните предпазни устройства, арматура, контролни уреди, към дизайн и размер на котлите. Необходимо е котлите да бъдат оборудвани с програмируема система за контрол и автоматично регулиране, което да гарантира висока експлоатационна надеждност, да осигуряват висока енергийна ефективност при изменящите се условия на експлоатация и други.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top